CircuitosElétricosIE-Aula01 ConceitosPreliminares Prof....

Circuitos Elétricos I E - Aula 01

Conceitos Preliminares

Prof. Iury Bessa

Universidade Federal do amazonasDepartamento de Eletricidade

ou

Análise, Linearidade e Invariância no tempo

• O que é um problema de análise?No problema de análise de sistemas têm-se como dados o modelodo sistemaM, a entrada u(t) e os estados iniciais x(0), e deseja-sedeterminar estados e saídas do sistema (x(t) e y(t)).

• O que é um problema de análise?No problema de síntese de sistemas têm-se como dados ocomportamento desejado do sistema (x(t) e y(t)), a entrada u(t) eos estados iniciais x(0) e deseja-se projetar um modelo de sistemaM que permita essa relação I/O.

• Qual a natureza das relações entrada-saída?A relação entrada-saída é uma relação de causa e efeito(causalidade)!

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ou

Análise, Linearidade e Invariância no tempo

• O que é um problema de análise?

No problema de análise de sistemas têm-se como dados o modelodo sistemaM, a entrada u(t) e os estados iniciais x(0), e deseja-sedeterminar estados e saídas do sistema (x(t) e y(t)).

• O que é um problema de análise?

No problema de síntese de sistemas têm-se como dados ocomportamento desejado do sistema (x(t) e y(t)), a entrada u(t) eos estados iniciais x(0) e deseja-se projetar um modelo de sistemaM que permita essa relação I/O.

• Qual a natureza das relações entrada-saída?

A relação entrada-saída é uma relação de causa e efeito(causalidade)!

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ou

Análise, Linearidade e Invariância no tempo

• O que é um problema de análise?No problema de análise de sistemas têm-se como dados o modelodo sistemaM, a entrada u(t) e os estados iniciais x(0), e deseja-sedeterminar estados e saídas do sistema (x(t) e y(t)).

• O que é um problema de análise?

No problema de síntese de sistemas têm-se como dados ocomportamento desejado do sistema (x(t) e y(t)), a entrada u(t) eos estados iniciais x(0) e deseja-se projetar um modelo de sistemaM que permita essa relação I/O.

• Qual a natureza das relações entrada-saída?

A relação entrada-saída é uma relação de causa e efeito(causalidade)!

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ou

Análise, Linearidade e Invariância no tempo

• O que é um problema de análise?No problema de análise de sistemas têm-se como dados o modelodo sistemaM, a entrada u(t) e os estados iniciais x(0), e deseja-sedeterminar estados e saídas do sistema (x(t) e y(t)).

• O que é um problema de análise?No problema de síntese de sistemas têm-se como dados ocomportamento desejado do sistema (x(t) e y(t)), a entrada u(t) eos estados iniciais x(0) e deseja-se projetar um modelo de sistemaM que permita essa relação I/O.

• Qual a natureza das relações entrada-saída?

A relação entrada-saída é uma relação de causa e efeito(causalidade)!

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ou

Análise, Linearidade e Invariância no tempo

• O que é um problema de análise?No problema de análise de sistemas têm-se como dados o modelodo sistemaM, a entrada u(t) e os estados iniciais x(0), e deseja-sedeterminar estados e saídas do sistema (x(t) e y(t)).

• O que é um problema de análise?No problema de síntese de sistemas têm-se como dados ocomportamento desejado do sistema (x(t) e y(t)), a entrada u(t) eos estados iniciais x(0) e deseja-se projetar um modelo de sistemaM que permita essa relação I/O.

• Qual a natureza das relações entrada-saída?A relação entrada-saída é uma relação de causa e efeito(causalidade)!

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ou

Algumas propriedades dos sistemas estudadosem Circuitos Elétricos I E

• Exercício 1 Verifique se os seguintes sistemas são lineares ounão-lineares e variantes ou invariantes no tempo:

(a) y = x2.(b) y = t dxdt .(c) y = x dx

dt

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ou

Algumas propriedades dos sistemas estudadosem Circuitos Elétricos I E

• Linearidade◦ Homgeneidade◦ Aditividade

••

• Exercício 1 Verifique se os seguintes sistemas são lineares ounão-lineares e variantes ou invariantes no tempo:

(a) y = x2.(b) y = t dxdt .(c) y = x dx

dt

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ou

Algumas propriedades dos sistemas estudadosem Circuitos Elétricos I E

• Linearidade◦ Homgeneidade◦ Aditividade

• Causalidade•

• Exercício 1 Verifique se os seguintes sistemas são lineares ounão-lineares e variantes ou invariantes no tempo:

(a) y = x2.(b) y = t dxdt .(c) y = x dx

dt

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ou

Algumas propriedades dos sistemas estudadosem Circuitos Elétricos I E

• Linearidade◦ Homgeneidade◦ Aditividade

• Causalidade• Invariância no tempo

• Exercício 1 Verifique se os seguintes sistemas são lineares ounão-lineares e variantes ou invariantes no tempo:

(a) y = x2.(b) y = t dxdt .(c) y = x dx

dt

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ou

Algumas propriedades dos sistemas estudadosem Circuitos Elétricos I E

• Exercício 1 Verifique se os seguintes sistemas são lineares ounão-lineares e variantes ou invariantes no tempo:

(a) y = x2.(b) y = t dxdt .(c) y = x dx

dt

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ou

Circuitos Concentrados e o Comprimento deOnda

• Exercício 2 Verifique a aplicação da teoria de redes elétricas paracircuitos concentrados nas situações abaixo:

(a) Uma rede de distribuição de energia elétrica que pode ser inscrita emum círculo de 10 Km de raio, operando em 60 Hz, mas que pode estarsubmetida a até harmônicos de 11a ordem.

(b) Um receptor de frequência modulada de 50 cm, operando emfrequências em torno de 100 MHz.

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ou

Circuitos Concentrados e o Comprimento deOnda

A teoria de redes elétricas para circuitosconcentrados só poderá ser aplicado para circuitoscuja maior dimensão (dm) seja muito menor queum quarto do comprimento de onda, no vácuo, daonda eletromagnética de maior frequência a ser

considerada no circuito (dm << λm4 ).

• Exercício 2 Verifique a aplicação da teoria de redes elétricas paracircuitos concentrados nas situações abaixo:

(a) Uma rede de distribuição de energia elétrica que pode ser inscrita emum círculo de 10 Km de raio, operando em 60 Hz, mas que pode estarsubmetida a até harmônicos de 11a ordem.

(b) Um receptor de frequência modulada de 50 cm, operando emfrequências em torno de 100 MHz.

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ou

Circuitos Concentrados e o Comprimento deOnda

• Exercício 2 Verifique a aplicação da teoria de redes elétricas paracircuitos concentrados nas situações abaixo:

(a) Uma rede de distribuição de energia elétrica que pode ser inscrita emum círculo de 10 Km de raio, operando em 60 Hz, mas que pode estarsubmetida a até harmônicos de 11a ordem.

(b) Um receptor de frequência modulada de 50 cm, operando emfrequências em torno de 100 MHz.

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (1)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Considerando o conceito primitivo de carga elétrica e que a menorquantidade de carga elétrica que se pode isolar é igual a carga deum elétron (≈ 10−19 C).

••

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (1)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Considerando o conceito primitivo de carga elétrica e que a menorquantidade de carga elétrica que se pode isolar é igual a carga deum elétron (≈ 10−19 C).

• Define-se uma superfície orientada (ex.: seção transversal do fio) econta-se as cargas elétricas positivas que atravessam essa superfíciedesde um instante inicial t0 até o intante t. Indica-se isso como acarga elétrica total q(t) que passa pela superfície.

•

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (1)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Considerando o conceito primitivo de carga elétrica e que a menorquantidade de carga elétrica que se pode isolar é igual a carga deum elétron (≈ 10−19 C).

• Define-se uma superfície orientada (ex.: seção transversal do fio) econta-se as cargas elétricas positivas que atravessam essa superfíciedesde um instante inicial t0 até o intante t. Indica-se isso como acarga elétrica total q(t) que passa pela superfície.

• Em um intervalo de tempo ∆t define-se a corrente média por:

im(t) =∆q(t)

∆t(1)

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (2)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (1)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: cargaelétrica e corrente

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (1)

• As correntes elétricas podem ser classificadas de acordo com suasfunções de excitação:◦ Contínuas◦ Alternadas◦ Pulsadas◦ Definidas por funções de excitações arbitrárias

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (2)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (3)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (4)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

Um bipolo elétrico é defino como um dispositivoelétrico com dois terminais acessíveis, através doqual circula uma corrente única. A circulação decargas elétricas é usualmente associado à absorçãoou à geração de energia w(t). A tensão elétrica(e(t)) é definida, portanto, como a diferença de

potencial entre esses terminais.

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (2)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (3)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (4)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• A energia absorvida por um bipolo, quando uma quantidadediferencial de carga dq se move através do elemento, é:

dw = e(t)dq (2)

• Desta forma, a tensão e(t) é:

e(t) =dw

dt(3)

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (4)

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (5)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (6)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (7)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• A energia absorvida por um bipolo, quando uma quantidadediferencial de carga dq se move através do elemento, é:

dw = e(t)dq (2)

• Desta forma, a tensão e(t) é:

e(t) =dw

dt(3)

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (4)

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (5)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (6)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (7)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• A energia absorvida por um bipolo, quando uma quantidadediferencial de carga dq se move através do elemento, é:

dw = e(t)dq (2)

• Desta forma, a tensão e(t) é:

e(t) =dw

dt(3)

• Com ∆t → 0 define-se a corrente instantânea por:

i(t) =d

dtq(t) (4)

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (5)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (6)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (7)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (2)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (3)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (4)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (2)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (3)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (4)

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ou

Grandezas Elétricas Fundamentais: bipoloselétricos, tensão e potência

• Ou ainda:dw = e(t)i(t)dt (2)

• Então, a potência absorvida é:

p(t) =dw

dt= e(t)i(t) (3)

• A energia líquida total absorvida pelo elemento entre t1 e t2 é:

w(t) =

∫ t2

t1

p(t)dt =

∫ t2

t1

e(t)i(t)dt (4)

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ou

Sentidos de Referência

• O produto v(t)i(t) indicará se ocorre absorção ou fornecimento depotência elétrica pelo elemento de circuito.

• Convenção do Gerador:◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo absorve potência

• Convenção do Receptor:◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo absorve potência

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ou

Sentidos de Referência

• O produto v(t)i(t) indicará se ocorre absorção ou fornecimento depotência elétrica pelo elemento de circuito.

• Convenção do Gerador:◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo absorve potência

• Convenção do Receptor:◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo absorve potência

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ou

Sentidos de Referência

• O produto v(t)i(t) indicará se ocorre absorção ou fornecimento depotência elétrica pelo elemento de circuito.

• Convenção do Gerador:◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo absorve potência

• Convenção do Receptor:◦ v(t)i(t) < 0→ bipolo fornece potência◦ v(t)i(t) > 0→ bipolo absorve potência

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ou

Elementos de circuito

• Elementos Passivos:• Elementos Ativos:

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ou

Elementos de circuito

• Elementos Passivos:◦ Resistência (Condutância)

e(t) = Ri(t) (5)

◦ Capacitância (Elastância)

i(t) = Cd

dte(t) (6)

◦ Indutância (Indutância inversa)

e(t) = Ld

dti(t) (7)

◦ Curto-circuito◦ Circuito aberto

• Elementos Ativos:8 of 12

ou

Elementos de circuito

• Elementos Passivos:• Elementos Ativos:◦ Fontes de corrente e de tensão◦ Fontes independentes◦ Fontes controladas:• FVCV (µ)• FVCI (rm)• FICV (gm)• FICI (β)

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ou

Funções Singulares

•

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ou

Funções Singulares

• Funções singulares são aquelas relacionadas pela seguintepropriedade:

Un−1(t) =∫ t−∞ Un(λ)dλ

Un+1 = ddtUn(t)

(5)

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ou

Funções Singulares

• Funções singulares são aquelas relacionadas pela seguintepropriedade:

Un−1(t) =∫ t−∞ Un(λ)dλ

Un+1 = ddtUn(t)

(5)

• Função degrau

U−1(t − a) =

{0, para t < a1, para t ≥ a

(6)

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ou

Funções Singulares

• Funções singulares são aquelas relacionadas pela seguintepropriedade:

Un−1(t) =∫ t−∞ Un(λ)dλ

Un+1 = ddtUn(t)

(5)

• Função degrau

U−1(t − a) =

{0, para t < a1, para t ≥ a

(6)

• Função rampa

U−2(t − a) =

{t, para t < a0, para t ≥ a

(7)

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ou

Funções Singulares

• Função impulso◦ Pela definição de funções singulares:

U0 =d

dtU−1(t) (5)

◦ O impulso, portanto, deve atender a duas propriedades:

U0(t − a) = δ(t − a) = 0,∀t 6= a (6)∫ ∞−∞

U0(t − a) =

∫ a+∆t

a−∆t

U0(t − a) = 1,∀∆t > 0 (7)

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínua• Excitação em degrau• Excitação impulsiva• Excitação exponencial• Excitação cossenoidal

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínuaes(t) = E (8)

• Excitação em degrau• Excitação impulsiva• Excitação exponencial• Excitação cossenoidal

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínua• Excitação em degrau

es(t) = EU−1(t − τ) (8)

• Excitação impulsiva• Excitação exponencial• Excitação cossenoidal

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínua• Excitação em degrau• Excitação impulsiva

es(t) = EU0(t − τ) (8)

• Excitação exponencial• Excitação cossenoidal

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínua• Excitação em degrau• Excitação impulsiva• Excitação exponencial

es(t) = Eest (8)

onde s = σ + jω, sendo σ a frequência neperiana de decaimento, eω a frequência angular de oscilação

• Excitação cossenoidal

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ou

Funções de Excitação

• Excitação contínua• Excitação em degrau• Excitação impulsiva• Excitação exponencial• Excitação cossenoidal

es(t) = Em cos(ωt + θ) (8)

onde Em é a amplitude ou valor máximo, ω = 2πf = 2πT é a

frequência angular, f é a frequência, T é o período θ é a defasagem

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ou

Conceito de Fasor

• Considere a excitação cossenoidal abaixo:

es(t) = Em cos(ωt + θ) (9)

• Representando a cossenoide como uma exponencial complexa:

es(t) =12Eme

jθe jωt +12Eme

−jθe−jωt (10)

• Define-se o fasor representativo da cossenoide acima

E = Emejθ (11)

• Note que a cosseinoide se relaciona com o fasor por meio datransformada fasorial

es(t) = Re(Ee jwt) (12)11 of 12

ou

Relações fasoriais em bipolos ideais

• Considere que uma tensão e(t) é aplicada a um resistor ideal deresistência R

e(t) = Em cos(ωt + θ) (13)

• A corrente que circulará nesse resistor é:

i(t) =Em

Rcos(ωt + θ) (14)

• Note que a razão Z entre o fasor de tensão e corrente nessaresistência é

Z =VI

= R (15)

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ou

Relações fasoriais em bipolos ideais

• Considere que uma tensão e(t) é aplicada a um resistor ideal deresistência R

e(t) = Em cos(ωt + θ) (13)

• A corrente que circulará nesse resistor é:

i(t) =Em

Rcos(ωt + θ) (14)

• Note que a razão Z entre o fasor de tensão e corrente nessaresistência é

Z =VI

= R (15)

• Confira também para capacitor e indutor

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ou

Relações fasoriais em bipolos ideais

• Considere que uma tensão e(t) é aplicada a um resistor ideal deresistência R

e(t) = Em cos(ωt + θ) (13)

• A corrente que circulará nesse resistor é:

i(t) =Em

Rcos(ωt + θ) (14)

• Note que a razão Z entre o fasor de tensão e corrente nessaresistência é

Z =VI

= R (15)

• O nome dessa razão complexa Z é impedância, sua partereal se chama resistência e sua parte imaginária se chamareatância

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